Вселенная выглядит примерно одинаково по всем направлениям, но удалённые галактики выглядят болеем молодыми и менее эволюционировавшими, чем те, что находятся ближе
Мы знаем, что наша Вселенная началась с Большого Взрыва, но это не значит, что мы все правильно его себе представляем. Большая часть людей представляет себе его, как взрыв: когда всё началось с горячего и плотного состояния, а потом расширялось в стороны и остывало, в то время, как различные фрагменты-осколки удалялись друг от друга. Но, какой бы ни была эта картина притягательной, она неверная. Наш читатель задаёт связанный с этим вопрос?
Интересно, как получается, что у вселенной нет центра и реликтовое излучение отдалено в любую сторону на равное от нас расстояние. Мне кажется, что если вселенная расширяется, то всегда можно найти место, откуда она начала расширяться.
Давайте для начала подумаем о физике взрыва, и о том, какой бы была наша Вселенная, если бы она началась со взрыва.
Первые стадии взрыва во время ядерного испытания Тринити, 16 миллисекунд после детонации. Верхняя часть взрыва достигла 200 м.
Взрыв начинается в определённой точке и быстро расширяется во все стороны. Самые быстро движущиеся обломки двигаются наружу быстрее остальных. Чем дальше вы находитесь от центра взрыва, тем меньше материала долетит до вас. Плотность энергии со временем повсеместно уменьшается, но дальше от центра взрыва она уменьшается быстрее, поскольку на окраинах взрыва материал более рассеянный. Неважно, где вы находитесь – если взрыв вас не уничтожил, вы всегда сможете реконструировать центр взрыва.
Крупномасштабная структура Вселенной меняется со временем, небольшие несовершенства вырастают и формируют первые звёзды и галактики, затем сливаются вместе, формируя крупные, современные галактики, видимые нам сегодня. Заглядывая на дальние дистанции, мы видим более молодую Вселенную, такую, каким был наш местный регион в прошлом.
Но мы наблюдаем не такую Вселенную. Она одинаково выглядит на дальних и ближних расстояниях: та же плотность, та же энергия, то же количество галактик. Удалённые объекты, двигающиеся от нас с большей скоростью, не выглядят схожими по возрасту с теми, что расположены ближе к нам и двигаются медленнее; они выглядят моложе. На дальних расстояниях объектов не становится меньше, их становится больше. А если взглянуть на схему движения во Вселенной, мы увидим, что несмотря на то, что мы можем заглянуть на десятки миллиардов световых лет, центр неизменно оказывается рядом с нами.
Сверхскопление Ланиакея, расположение Млечного Пути в котором показано красным, представляет собой всего лишь одну миллиардную объёма наблюдаемой Вселенной. Если Вселенная началась в результате взрыва, то Млечный Путь должен был быть рядом с центром
Значит ли это что мы, из триллионов галактик Вселенной, случайно оказались в центре Большого Взрыва? И что изначальный взрыв был подстроен именно таким образом, и были учтены нерегулярные, негомогенные плотности, энергии, и загадочное свечение температурой 2,7 К? Какой мелочной была бы Вселенная, если бы она была подстроена таким нереалистичным образом с самого начала.
Взрыв в космосе заставил бы внешние слои материала двигаться вовне быстрее остальных, что означает, что они становились бы менее плотными, теряли бы энергию быстрее других и демонстрировали разные свойства по мере удаления от центра. Также взрыву нужно было бы расширяться куда-то, а не растягивать само пространство. Наша Вселенная такому описанию не соответствует.
Вместо этого, Общая теория относительности предсказывает не взрыв, а расширение. Вселенная, начавшаяся с горячего, плотного состояния, у которой расширяется сама её ткань. Существует заблуждение, что это процесс начинался с одной точки – это не так! Существовал регион космоса с такими свойствами, наполненный материей, энергией и т.п., а затем Вселенная начала свою эволюцию под влиянием законов гравитации.
У неё повсюду схожие свойства, включая плотность, температуру, количество галактик, и т.п. Если мы выглянем наружу, то найдём свидетельства эволюционирующей Вселенной. Поскольку Большой взрыв случился повсюду одновременно конечное время назад на целом участке космоса, и мы можем наблюдать только этот участок, то когда мы смотрим с нашей точки наблюдения, мы видим участок пространства, не очень сильно отличающийся с нашего местоположения в прошлом.
Заглядывать на космические дистанции – значит, заглядывать в прошлое. Мы живём спустя 13,8 млрд лет после Большого взрыва, но Большой взрыв случился и во всех других доступных для наблюдения местах. Время распространения света до других галактик означает, что мы видим эти удалённые регионы такими, какие они были в прошлом.
Галактики, свету которых потребовался миллиард лет на то, чтобы дойти до нас, выглядят такими, какими они были миллиард лед назад! 13,8 млрд лет назад во Вселенной преобладало излучение, а не материя, и когда во Вселенной впервые сформировались нейтральные атомы, это излучение осталось, а потом охладилось и испытало красное смещение из-за расширения Вселенной. То, что мы наблюдаем в качестве реликтового излучения – это не только остаточное свечение от Большого взрыва, но это излучение можно увидеть с любого места Вселенной.
Только несколько сотен микрокельвинов – несколько частей в 100000 – отделяют самые горячие участки от самых холодных на схеме реликтового излучения.
У Вселенной не обязательно есть центр; то, что мы называем «участком» пространства, в котором произошёл Большой взрыв, может быть бесконечного размера. Если центр есть, он буквально может быть везде, и мы бы об этом не узнали; части наблюдаемой нами Вселенной недостаточно для того, чтобы это узнать. Нам нужно было бы увидеть край, фундаментальную анизотропию (где разные направления отличаются друг от друга) по температурам и количеству галактик, и наша Вселенная, на крупнейших масштабах, на самом деле выглядит одинаково везде и во всех направлениях.
Логарифмическое изображение наблюдаемой Вселенной в представлении художника
Не существует места, с которого Вселенная начала расширяться из-за Большого взрыва; существует время, с которого Вселенная начала расширяться. Именно это и есть Большой Взрыв – условие, влияющее на всю наблюдаемую Вселенную в определённый момент. Поэтому смотреть на дальние расстояния во всех направлениях – значит, смотреть в прошлое. Поэтому у всех направлений примерно одинаковые свойства. И поэтому нашу историю космической эволюции можно отследить назад, так далеко, как далеко могут заглянуть наши наблюдения.
Галактики, похожие на Млечный Путь, и их прошлое
Возможно, у Вселенной конечный размер и форма, но если так – эта информация нам недоступна. Часть доступной нам для наблюдений Вселенной конечна, и та информация внутри этой части не содержится. Если вы будете представлять Вселенную в форме шарика, батона или другой понравившейся вам аналогии, помните, что у вас есть доступ только к крохотной части настоящей Вселенной. То, что мы наблюдаем – это нижний предел того, что там есть. Она может быть конечной, может быть бесконечной, мы уверены только в том, что она расширяется, у неё уменьшается плотность, и чем дальше мы смотрим, тем глубже в прошлое можем заглянуть. Как сказала астрофизик Кэти Мэк:
Вселенная расширяется так, как расширяется ваше сознание. Оно ведь не расширяется куда-то; вы просто становитесь менее тупым [dense (англ.) – «плотный», а также «тупой» / прим. перев.]
Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].
Автор: Вячеслав Голованов
